FR3006231A1

FR3006231A1 - Procede de fabrication d'une structure composite nervuree

Info

Publication number: FR3006231A1
Application number: FR1354868A
Authority: FR
Inventors: Magalie Menard; Didier Imbert
Original assignee: Faurecia Bloc Avant SAS
Current assignee: Flex N Gate France SAS
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-12-05
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: FR3006231B1

Abstract

Le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : - fourniture d'un élément (2 ; 102 ; 202 ; 302) réalisé en un matériau composite ; - positionnement de l'élément dans un outil d'injection (4; 104; 304; 404) comportant au moins une première cavité (10; 110; 310; 410) et au moins une deuxième cavité (12 ; 112 ; 312 ; 412), partiellement en regard de la première cavité ; - remplissage de la première cavité du moule avec un matériau d'injection (16 ; 116; 316) de façon à surmouler une partie de l'élément disposée en regard de la première cavité; L'élément est agencé pour présenter une perméabilité au matériau d'injection, et l'étape de remplissage de la première cavité entraînant le remplissage de la deuxième cavité au travers de la partie perméable de l'élément.

Description

Procédé de fabrication d'une structure composite nervurée La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure composite de fibres comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'au moins un élément réalisé en un matériau composite comportant une matrice thermoplastique et un renfort de fibres, l'élément comprenant une face supérieure et une face inférieure ; - positionnement de l'élément dans un outil d'injection comportant une première partie et une deuxième partie, la première partie comprenant au moins une première cavité, la deuxième partie comportant au moins une deuxième cavité, la deuxième cavité étant au moins partiellement en regard de la première cavité, l'élément s'étendant entre la première partie et la deuxième partie ; et - remplissage de la première cavité du moule avec un matériau d'injection de façon à surmouler une partie de l'élément disposée en regard de la première cavité. L'invention s'applique en particulier à l'industrie de l'automobile, mais aussi à d'autres industries dans la fabrication des pièces composites renforcées réalisées par thermocompression, en un matériau composite comprenant un mat de verre ou un « multi-couches » de fibres de verre continues et orientées, éventuellement tissées, à matrice thermoplastique. Effectivement, si auparavant le choix de matières en plastique technique s'imposait, pour réduire les coûts et diminuer l'impact écologique, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés, notamment car ils contiennent généralement des matériaux issus du recyclage. Or, dans le véhicule, les pièces sont souvent soumises à de fortes contraintes telles que les vibrations du moteur ou les vibrations induites par le relief de la route ; il convient donc de leur assurer un caractère rigide suffisant. Pour cela, il est nécessaire de rigidifier les structures composites en y réalisant des éléments raidisseurs tels que des bossages ou des renfoncements, les nervures de raidissement réalisées par surmoulage ne donnant pas de résultats satisfaisants, du fait de la mauvaise cohésion entre le matériau composite et le matériau plastique des nervures.

Toutefois, les bossages et renfoncements des matériaux composites ne permettent pas d'obtenir les mêmes fonctions que permettent d'obtenir les nervures en matériau plastique obtenues par injection, notamment en ce qui concerne les passages et tenues de faisceaux électriques, le guidage pour assembler d'autres pièces et la fixation d'autres éléments sur la pièce composite.

L'invention vise ainsi à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication qui permet d'obtenir des pièces composites comportant des nervures de raidissement, ou autres types de nervures, présentant de bonnes liaisons mécaniques avec la matrice thermoplastique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de structure composite du type précité dans lequel l'élément est agencé pour que la partie disposée entre la première et la deuxième cavités présente une perméabilité au matériau d'injection, et l'étape de remplissage de la première cavité avec le matériau d'injection entraîne le remplissage de la deuxième cavité avec le matériau d'injection au travers de la partie perméable de l'élément. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le procédé de fabrication comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la perméabilité de l'élément au matériau d'injection comprend un orifice préalablement réalisé lors d'une étape de perçage de l'élément, de sorte que l'orifice se situe en regard de chacune des première et deuxième cavités ; - la perméabilité de l'élément au matériau d'injection est une porosité ouverte de l'élément ; - la porosité est du type macroporosité, les pores du matériau d'injection présentant un diamètre supérieur à 10 micromètres ; - le matériau d'injection est une matière plastique ; - chaque première cavité et deuxième cavité comporte une largeur de l'ordre de 3 millimètres et une profondeur comprise entre 5 et 40 millimètres ; - la première et/ou la deuxième cavités sont agencées pour que le matériau d'injection forme, sur l'élément en matériau composite, des nervures de raidissement, de passage et tenue d'un faisceau électrique, de centrage pour positionner des éléments complémentaires à associer sur la structure composite obtenue, de clip pour fixer des éléments complémentaires sur la structure composite obtenue, de godrons de réglage de positionnement d'autres pièces, de bouterolles de soudage et/ou de parcours de cordons de collage ; - la deuxième partie de l'outil d'injection comprend plusieurs deuxièmes cavités, la première cavité s'étendant partiellement en regard d'au moins deux deuxièmes cavités ; - la première partie de l'outil d'injection comprend plusieurs premières cavités, la deuxième cavité s'étendant partiellement en regard d'au moins deux premières cavités ; et - le remplissage d'un matériau d'injection se fait dans au moins deux premières cavités.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 4 sont des vues schématiques en coupe des étapes du procédé de fabrication d'une structure composite selon l'invention, - la figure 5 est une vue schématique en coupe d'une étape de remplissage d'un outil d'injection comportant un élément composite selon un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 est une vue schématique en coupe d'un outil d'injection comportant un élément composite selon un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 7 est une vue schématique en coupe d'une étape de remplissage d'un outil d'injection comportant un élément composite selon un autre mode de réalisation de l'invention, et - la figure 8 est une vue schématique en coupe d'un outil d'injection comportant un élément composite selon un autre mode de réalisation de l'invention. Un premier procédé destiné à la fabrication de pièces composites automobiles est illustré par les figures 1 à 4. Un élément composite 2 est disposé dans un outil d'injection 4 comportant un plan supérieur. Dans la suite de la description, le terme « vertical » est défini comme étant la direction verticale par rapport à l'outil d'injection 4, représentée par l'axe Z sur les dessins, le terme « horizontal » est défini comme étant parallèle au plan supérieur de l'outil d'injection 4. Un système d'axe X et Y est également défini sur l'outil d'injection 4, de sorte que l'axe X est perpendiculaire à l'axe Y. L'élément composite 2 est réalisé en un matériau composite comportant une matrice thermoplastique enrobant un mat de verre ou un tissé de verre. Par exemple, l'élément composite 2 est une plaque composite dans l'un des matériaux du type GMT et du type Tepex. Le matériau de type GMT est un matériau composite composé d'une matrice thermoplastique, en polypropylène par exemple, et de mats de verre traditionnels. Le matériau du type Tepex est un matériau composite composé d'une matrice thermoplastique, en polyamide, polyéthylène téréphtalate ou polysulfure de phénylène par exemple, et de renforts tissés à fibres continues ou non, les fibres étant en verre, en carbone ou en aramide, ou autre. Dans la suite de la description, l'élément composite 2 sera décrit comme étant une plaque. Il est cependant entendu que cet élément peut présenter une autre forme et n'être pas plan.

La plaque composite 2 présente par exemple une porosité ouverte du type macroporosité, c'est-à-dire que les pores de la plaque composite 2 présentent un diamètre supérieur à 10 micromètres. L'outil d'injection 4 comprend une première partie 6 appelée moule et une deuxième partie 8 appelée contre-moule. Le moule 6 définit une première cavité 10 s'étendant sensiblement selon la direction X. Le contre-moule 8 définit une deuxième cavité 12 s'étendant sensiblement selon la direction X, de sorte que la deuxième cavité 12 est en communication fluidique avec la première cavité 10. Par « communication fluidique », on entend qu'une partie de la deuxième cavité 12 est en regard de la première cavité 10. Selon un mode de réalisation, chacune des première et deuxième cavités 10 et 12 comporte notamment une largeur selon l'axe Y correspondant à l'épaisseur des nervures à créer, par exemple de l'ordre de trois millimètres, et une profondeur verticale correspondant à la hauteur des nervures à créer, par exemple comprise entre cinq et quarante millimètres. Ces dimensions sont bien entendues susceptibles d'être différentes en fonction de ce que l'on souhaite former dans les première et deuxième cavités. L'outil d'injection 4 comprend également au moins un point 14 d'injection verticale débouchant dans la cavité 10 du moule 6. Ce point 14 d'injection peut être du type « pin-point », nappe ou tout autre type de point d'injection possible. Dans une première étape, la plaque composite 2 est disposée entre le moule 6 et le contre-moule 8 et une pression y est appliquée par déplacement vertical du contre- moule 8. La plaque composite 2 peut avoir préalablement subi un traitement thermique tel qu'un chauffage par rayon infra-rouge ou air chaud par exemple. Ensuite, un matériau d'injection 16 est injecté verticalement dans le point d'injection 14. Le matériau d'injection 16 est par exemple un matériau thermoplastique ou thermodurcissable. Le matériau plastique 16 vient alors remplir la première cavité 10 et surmouler partiellement la plaque composite 2. Le matériau plastique 16, continuant à être injecté, applique alors une pression sur la partie de la plaque composite 2 en regard de la première cavité 10. La plaque composite 2 comportant une porosité ouverte, le matériau plastique 16 traverse la plaque composite 2 en s'insérant dans les interstices ou pores induits par la porosité ouverte de la plaque 2. Ainsi, le matériau plastique 16 débouche dans la deuxième cavité 12 ménagée dans le contre-moule 8 jusqu'à son remplissage complet. En particulier, la matière plastique 16 se diffuse dans la plaque composite 2 sensiblement selon l'axe Y en remplissant les interstices de la plaque composite 2.

L'injection est ensuite arrêtée, et la structure composite formée 20, après sa prise, est par la suite démoulée, comme illustré sur la figure 4. Un deuxième mode de réalisation du procédé 104 est représenté sur la figure 5. Une plaque composite 102 réalisée en un matériau composite comprenant une matrice thermoplastique poreuse et un renfort en fibres de verre est disposé dans un outil d'injection 104. L'outil d'injection 104 comporte un moule 106 et un contre-moule 108. Le moule 106 comprend trois premières cavités 110A, 110B et 1100. Le contre-moule 108 comprend trois deuxièmes cavités 112A, 112B et 1120. Chacune des premières et deuxièmes cavités s'étend sensiblement selon l'axe X. La première cavité 110A est partiellement en regard de la deuxième cavité 112A. Les premières cavités 110B et 1100 sont respectivement en regard des deuxièmes cavités 112A et 112B et des deuxièmes cavités 112B et 1120 En d'autres termes, les deuxièmes cavités 112A, 112B et 1120 du contre-moule 108 sont disposées en quinconce des premières cavités 110A, 110B et 1100 du moule 106, de sorte que les deuxièmes cavités sont en communication fluidique avec les premières cavités pour permettre le passage de matière entre les premières et deuxièmes cavités. Ce passage est représenté sur la figure 4 par des flèches en pointillés. L'outil d'injection 104 comprend également un point d'injection 114 débouchant dans la première cavité 110A. En particulier, la largeur selon l'axe Y maximale entre le point d'injection correspondant à la première cavité 110A et la dernière deuxième cavité 1120, est de l'ordre de vingt centimètres. La longueur des cavités est dépendante de ses dimensions, de la matière injectée et de l'élément en matériau composite utilisé. Le procédé de fabrication d'une structure composite dans un tel outil d'injection 104 comprend une première étape de disposition de la plaque composite 102 entre le moule 106 et le contre-moule 108, une pression y est alors appliquée par déplacement vertical du contre-moule 108. Ensuite, un matériau d'injection 116 est injecté verticalement dans le point d'injection 114. Le matériau d'injection 116 est par exemple un matériau thermoplastique ou thermodurcissable. Le matériau plastique 116 vient alors remplir successivement la première cavité 110A, la deuxième cavité 112A, la première cavité 110B, la deuxième cavité 112B, la première cavité 1100 et la deuxième cavité 1120. Le matériau plastique 116 traverse la plaque composite 102 en s'insérant dans ses pores libres. Lorsque l'ensemble des premières et deuxièmes cavités sont remplies, l'injection est arrêtée, et la structure composite formée, après sa prise, est par la suite démoulée.

Un troisième mode de réalisation de l'invention est représenté en figure 6. Il comprend le même outil d'injection 4 que le premier mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 4 ; ainsi qu'une plaque composite 202 réalisée en un matériau composite comprenant une matrice thermoplastique et un renfort en fibres de verre. Ce mode de réalisation diffère du premier mode, en ce que la plaque composite 202 disposée entre le moule 6 et le contre-moule 8 comprend un ou plusieurs orifice(s) 206 débouchant dans les première et deuxième cavités 10 et 12 et s'étendant sensiblement selon la direction X en regard des première et deuxième cavités 10 et 12. Le procédé de fabrication de cette troisième structure composite comprend donc une étape préalable de perçage ou de poinçonnage de la plaque composite 202. Ainsi, lors de l'injection de la matière plastique via la canne d'injection 14, la matière plastique traverse la plaque composite 202 en s'écoulant au travers de(s) l'orifice(s) 206. Un quatrième mode de réalisation est illustré en figure 7. Une plaque composite 302 possédant les mêmes caractéristiques que la plaque composite 102 du deuxième mode de réalisation représenté en figure 5, est disposée dans un outil d'injection 304. L'outil d'injection 304 comporte un moule 306 et un contre-moule 308. Le moule 306 comprend trois premières cavités 310A, 310B et 3100. Le contre-moule 308 comprend trois deuxièmes cavités 312A, 312B et 3120. Chacune des premières et deuxièmes cavités s'étend sensiblement selon l'axe X. La première cavité 310A est en communication fluidique avec la deuxième cavité 312A. Les premières cavités 310B et 3100 sont en communication fluidique avec respectivement les deuxièmes cavités 312A et 321B et avec les deuxièmes cavités 312B et 312C. En d'autres termes, les deuxièmes cavités 312A, 312B et 3120 du contre-moule 308 sont disposées en quinconce des premières cavités 310A, 310B et 3100 du moule 306, de sorte que les deuxièmes cavités sont en communication fluidique avec les premières cavités pour permettre le passage de matière entre les premières et deuxièmes cavités. L'outil d'injection 304 diffère de l'outil d'injection 104 du deuxième mode de réalisation représenté en figure 5, en ce qu'il possède deux points d'injections 314 et 315.

Le premier point d'injection 314 débouche dans la première cavité 310A et le second point d'injection 315 débouche dans la première cavité 3100. Le procédé de fabrication d'une structure composite dans l'outil d'injection 304 comprend une étape d'injection de matériau thermoplastique ou thermodurcissable 318 au moyen des deux points d'injections 314 et 315, de sorte que le remplissage des premières et deuxièmes cavités est plus rapide que pour le deuxième mode de réalisation.

De plus, la présence des deux points d'injections 314 et 315 permet d'augmenter la distance latérale selon l'axe Y acceptable entre les deux cavités extrêmes. Un cinquième mode de réalisation est illustré en figure 8. Une plaque composite 402 possédant les mêmes caractéristiques que la plaque composite 102 du deuxième mode de réalisation représenté en figure 5, est disposée dans un outil d'injection 404. L'outil d'injection 404 comporte un moule 406 et un contre-moule 408. Le moule 406 comprend une première cavité 410. Le contre-moule 408 comprend une deuxième cavité 412. Les première et deuxième cavités 410 et 412 s'étendent sensiblement selon l'axe X est sont en communication fluidique l'une avec l'autre. En particulier, la première cavité 410 possède une profondeur selon l'axe Z sensiblement plus importante que celle de la deuxième cavité 412. De même, la première cavité 410 possède une largeur selon l'axe Y sensiblement moins importante que celle de la deuxième cavité 412. L'outil d'injection 404 comprend également un point d'injection 414 débouchant dans la première cavité 410.

Le procédé de fabrication d'une structure composite dans l'outil d'injection 404 comprend une étape d'injection de matériau thermoplastique ou thermodurcissable au moyen du point d'injection 414, de sorte que le remplissage de la première cavité 410 entraîne le remplissage de la deuxième cavité 412. La structure composite obtenue dans l'outil d'injection 404 présente une première face possédant un surmoulage en plastique de faible épaisseur et une seconde face présentant une nervure de raidissement plus épaisse ou plus longue. L'avantage principal de ce mode de réalisation par rapport à un procédé de surmoulage plastique traditionnel d'une plaque composite est que la structure composite obtenue présente une meilleure liaison entre la plaque composite et son surmoulage plastique. Effectivement, le surmoulage de la première face présente un ancrage au sein même de la plaque composite, faisant saillie hors la deuxième face. Ainsi, une deuxième cavité 412 de largeur selon Y plus grande que la première cavité 410 peut résulter en un surmoulage en matériau plastique de faible épaisseur lié mécaniquement par un raidissement à l'élément en matériau composite. Ainsi, le procédé de fabrication selon l'invention est simple à mettre en place et présente l'avantage de réaliser des structures composites possédant des nervures en matériau plastique. Ces nervures comportent en outre de bonnes liaisons mécaniques avec la matrice thermoplastique du composite, puisque le matériau plastique injecté traverse la matrice et le renfort en remplissant les pores du matériau composite. En particulier, la structure fabriquée selon ce procédé présente une meilleure rigidité que celle fabriquée par simple surmoulage.

De plus, les dimensions des nervures sont ajustables, de sorte que, suivant les moule et contre-moule utilisés, il est possible de réaliser différents types de nervures : des nervures de raidissement, de passage et tenue d'un faisceau électrique, de centreur pour positionner des éléments complémentaires à associer sur la structure composite obtenue, de clip pour fixer des éléments complémentaires sur la structure composite obtenue, de godrons de réglage de positionnement d'autres pièces, de bouterolles de soudage, par exemple par ultrason, vibration, Laser, ou autre, de parcours de cordons de collage. En effet, l'extrémité des nervures forme une zone avec un meilleur état de surface que l'élément en matériau composite, cette zone pouvant être lisse ou grainée...

Enfin, il est à remarquer que l'intégration de ce procédé au processus actuel de fabrication par thermocompression de structures composites est relativement simple, et qu'il est alors possible de réaliser en une même étape, des nervures de tout type ainsi que des renfoncements pour rigidifier la structure composite. Il est entendu que le procédé et l'outil d'injection peut être adapté pour la réalisation d'une structure composite comprenant au moins deux éléments en matériau composite, par exemple séparés par un pont en matériau d'injection réalisé lors de l'injection de ce matériau dans l'outil d'injection.

Claims

REVENDICATIONS1.- Procédé de fabrication d'une structure composite (20; 120; 320) de fibres comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'au moins un élément (2; 102; 202; 302) réalisé en un matériau composite comportant une matrice thermoplastique et un renfort de fibres, l'élément comprenant une face supérieure et une face inférieure ; - positionnement de l'élément dans un outil d'injection (4; 104; 304; 404) comportant une première partie (6 ; 106 ; 306 ; 406) et une deuxième partie (8 ; 108; 308 ; 408), la première partie comprenant au moins une première cavité (10; 110; 310; 410), la deuxième partie comportant au moins une deuxième cavité (12; 112 ; 312 ; 412), la deuxième cavité étant au moins partiellement en regard de la première cavité, l'élément s'étendant entre la première partie et la deuxième partie ; et - remplissage de la première cavité du moule avec un matériau d'injection (16; 116; 316) de façon à surmouler une partie de l'élément disposée en regard de la première cavité; procédé de fabrication caractérisé en ce que l'élément est agencé pour que la partie disposée entre la première et la deuxième cavités présente une perméabilité au matériau d'injection, et en ce que l'étape de remplissage de la première cavité avec le matériau d'injection entraîne le remplissage de la deuxième cavité avec le matériau d'injection au travers de la partie perméable de l'élément.
2.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la perméabilité de l'élément (202) au matériau d'injection comprend un orifice (206) préalablement réalisé lors d'une étape de perçage de l'élément, de sorte que l'orifice se situe en regard de chacune des première et deuxième cavités (10 ; 12).
3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la perméabilité de l'élément (2 ; 102 ; 302) au matériau d'injection est une porosité ouverte de l'élément.
4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la porosité est du type macroporosité, les pores du matériau d'injection présentant un diamètre supérieur à 10 micromètres.
5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau d'injection est une matière plastique.
6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque première cavité (10; 110; 310; 410) et deuxième cavité (12; 112;312 ; 412) comporte une largeur de l'ordre de 3 millimètres et une profondeur comprise entre 5 et 40 millimètres.
7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première et/ou la deuxième cavités sont agencées pour que le matériau d'injection forme, sur l'élément en matériau composite, des nervures de raidissement, de passage et tenue d'un faisceau électrique, de centrage pour positionner des éléments complémentaires à associer sur la structure composite obtenue, de clip pour fixer des éléments complémentaires sur la structure composite obtenue, de godrons de réglage de positionnement d'autres pièces, de bouterolles de soudage et/ou de parcours de cordons de collage.
8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième partie (108 ; 308) de l'outil d'injection (104 ; 304) comprend plusieurs deuxièmes cavités (112; 312), la première cavité (110; 310) s'étendant partiellement en regard d'au moins deux deuxièmes cavités.
9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première partie (106 ; 306) de l'outil d'injection (104 ; 304) comprend plusieurs premières cavités (110; 310), la deuxième cavité (112; 312) s'étendant partiellement en regard d'au moins deux premières cavités.
10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le remplissage d'un matériau d'injection (318) se fait dans au moins deux premières cavités (310A ; 3100).
11.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure composite fabriquée (20 ; 120 ; 320) forme une pièce de véhicule automobile comportant des nervures.